项目八地基与基础识读样本.doc

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项目八 地基与基础识读
项目描述
本项目是学习地基与基础部分的开篇引导知识, 经过学习学生能够识别铁路桥梁常见不同类型的基础, 了解基础设计的依据、 步骤和原则要求, 熟悉基础上的荷载类型与特点, 能够确定基础的埋置深度。
拟实现的教学目标
1.能力目标
1) 能够区分地基与基础, 能够识别铁路桥梁常见不同类型的基础;
2) 能够根据荷载的性质和发生几率对基础上的荷载进行分类;
3) 能够经过查阅技术资料和设计规范确定基础的埋置深度;
4) 能够简要描述基础设计的依据、 步骤和原则要求。
2.知识目标

熟悉地基与基础的特点, 熟悉铁路桥梁基础的类型;
2) 熟悉基础上的荷载类型与特点;
3) 掌握确定基础的埋置深度的因素和设计规范的要求;
4) 了解基础设计的依据、 步骤和原则要求。
3.素质目标
要有严谨的工作作风, 遵守规范要求, 具备一定的收集信息能力。
相关案例
——合福铁路铜陵长江大桥工程概况
铜陵长江大桥全长约51km,为新建合肥至福州客运专线铁路的关键控制性工程。跨江主桥为公铁两用大桥, 大桥下层为设计时速250km/h合福铁路双线和160km/h合庐铜铁路双线共四线铁路, 上层为设计时速100km/h六车道高速公路。引桥采用24m和32m铁路标准简支梁+现浇连续梁( 跨大堤和河流) 等结构形式。
铜陵长江大桥跨江主桥长1920m, 为两塔五跨钢桁梁斜拉桥, 跨径布置为90m+240m+630m+240m+90m, 主跨630m, 单孔双向通航。主墩编号为1#～6#墩, 其中3#主塔墩采用圆端沉井基础, 下端平面尺寸为62.4m×38.4m, 顶端平面尺寸为64m×40m, 沉井总高度68m, 上部为18m高钢筋混凝土沉井, 下部为50m高钢沉井, 总重约5000吨, 竖向分六节在工厂制造, 现场整节段组拼接高, 经过定位船定位后下沉; 沉井底面位于细圆砾土层, 沉入覆盖层约35m。4#主塔墩采用55根φ2.8m钻孔灌注桩基础, 梅花状布置, 桩长101米, 桩尖位于微风化泥质粉砂岩; 承台平面尺寸66m×45.6m, 厚7m。

任务8-1 桥梁基础的分类
一、 地基与基础的概念
图8-1 地基与基础

工程上把直接支承基础的那部分岩层或土层称为地基, 基础则是指建筑物向地基传递荷载的下部结构。基础起着”承上启下”的作用, 也就是说作用于建筑物上的所有荷载要经过基础传到地基上去地基与基础的相互关系如图8-l所示。
地基与基础承受上部结构与自重构成的竖直荷载作用, 承受风力、 制动力、 流水压力、 船筏冲撞力、 地震力等产生的水平荷载作用, 还受高程差异、 荷载偏心产生的力矩和扭矩、 特殊条件下的上拔力作用等。在这些荷载作用下, 地基与基础本身将产生附加的应力和变形。为了保证结构物的使用与安全, 地基与基础必须具有足够的强度和稳定性, 变形也应在允许范围内。根据地层变化情况、 上部结构的要求、 荷载特点和施工技术水平, 可采用不同类型的地基和基础。
地基根据其是否经过加固处理分为天然地基和人工地基两大类。凡在未加固过的天然土层上直接修筑基础的地基, 称为天然地基。天然地基是最简单而经济的地基, 因此在一般情况下, 应尽量采用天然地基。天然地层土质过于软弱或有不良工程地质问题时, 需经过人工加固处理后才能修筑基础, 这种经过加固处理后的地基称为人工地基。
桥梁基础是桥梁最下部的结构。它直接坐落在岩石或土地基上, 其顶端连接桥墩或桥台, 合称为桥梁下部结构。桥梁基础的作用是承受上部结构传来的全部荷载, 并把上部结构荷载和下部结构荷载传递给地基。与一般建筑物基础相比, 桥梁基础埋置较深, 在水中修建基础, 不但场地狭窄, 施工不便, 还经常遇到汛期威胁及漂流物的撞击。在施工过程中如遇到水下障碍,还需进行潜水作业。桥梁基础施工一般工期长, 技术复杂, 易出事故, 一旦出现问题, 补救也不大容易, 同时工程量大, 造价常常占到整个桥梁造价的一半。故桥梁基础的修建, 在整个桥梁工程中占有很重要的地位, 因此, 要求设计、 施工时, 认真对待基础工程, 做到精心设计、 精心施工, 一定按设计和施工规范要求把好质量关。
二、 基础的类型
铁路桥梁基础根据其结构形式和施工方法分为明挖基础、 桩基础、 管柱基础和沉井基础等。
( 一) 明挖基础
采用露天敞坑放坡开挖, 然后在地基上用块石或混凝土砌筑而成的实体基础, 这种基础称为明挖基础, 如图8-2所示。明挖基础的埋置深度可较其它类型基础浅, 故为浅基础。在遇地下水位较高或松软地层放坡开挖有困难时, 使用支撑或喷射混凝土护壁来保证基坑开挖。它的构造简单, 所用材料不能承受较大的拉应力, 故基础的厚、 宽比要足够大, 受力时不致基础本身产生挠曲变形, 因此又称为刚性基础。因地基土的强度比基础圬工的强度低, 为了适应地基的承载力, 基底的平面尺寸都需要扩大, 使基底产生的最大应力图8-2 明挖基础
不超过持力层的容许承载力, 故明挖基础又常称为刚性扩大基础。
在陆地开挖基坑, 将视基坑深浅、 土质好坏和地下水位高低等因素, 来判断是否采用坑壁支持结构; 在水中开挖则应先筑围堰。 
明挖基础适用于浅层土较坚实, 且水流冲刷不严重的浅水地区。由于它的构造简单,埋深浅, 施工容易,加上能够就地取材, 故造价低廉, 广泛用于中小桥涵及旱桥。中国赵州桥就是在粉质黏土地基上采用了这种基础。
( 二)桩基础
图8-3 桩基础
当地基上部土层松软、 承载力较低或河床冲刷深度较大, 须将基础埋置较深时, 如果采用明挖基础, 则基坑太深, 土方开挖数量大, 同时, 施工也很不方便, 在这种情况下, 常采用桩基础或沉井基础。
 桩基础是指将刚度、 强度较高, 并具有一定长度的杆形构件——桩, 打入或设置在较松软的土基中, 桩的上部与承台板( 梁) 联结所构成的基础, 如图8-3所示。上部结构的荷载经过承台分配到各桩头, 再经过桩身及桩端把力传递到周围土及桩端深层土中, 故属于深基础。桩基础适用于土质深厚处? , 在所有深基础中, 它的结构最轻, 施工机械化程度较高, 施工进度较快, 是一种较经济的基础。
高速铁路常见跨度桥梁非岩石地基一般采用桩基础, 桩径多为1.0m、 1.25m、 1.5m。一般情况, 简支梁采用8φ1.25m钻孔灌注桩, 连续梁下采用8φ1.5m钻孔灌注桩。删
( 三)管柱基础
由管柱群和钢筋混凝土承台组成的基础, 是主要用于桥梁的一种深基础, 如图8-4所示。管柱由钢管节、 钢筋混凝土管节或预应力混凝土管节拼接而成, 用振动打桩结合高压射水方法沉入土层中。 管柱外形类似管桩, 其区别在于: 管柱一般直径较大, 最下端一节制成开口状, 在一般情况下, 靠专门设备强迫振动或扭动, 并辅以管内排土而下沉, 如落于基岩, 能够经过凿岩使之锚固于岩盘; 而管桩直径一般较小, 桩尖制成闭合端, 常见打桩机具打入土中, 一般较难经过硬层或障碍, 更不能锚固于基岩。大型管柱的外形又类似圆形沉井, 但沉井主要是靠自重下沉, 其壁较厚, 而管柱是靠外力强迫下沉, 其壁较薄。 管柱基础的结构形式和受力状态类似桩基础, 故其设计和计算原理与桩基础相同。
图8-4 管柱基础
管柱适宜使用的条件为: ①深水; ②岩面不平; ③冲刷深度可能达到岩面; ④岩面下有溶洞, 须穿过后放置在坚实岩层; ⑤风化岩面不易用低压射水及吸渣清除, 因而, 将达不到嵌固和支承条件; ⑥采用高低承台构造有显著优点, 但必须有足够的强度和刚度, 例如大跨度梁下的支墩; ⑦河床有很厚的砂质覆盖层。
管柱不适宜使用的条件为: ①黏土覆盖层厚; ②岩面埋藏极深; ③岩体破碎。
管柱基础的缺点有: ①机具设备性能要求很高, 用电量大; ②钻岩进度不快。但近年发展了大直径旋转钻岩机, 情况已有了较大改进。
管柱基础的施工不受水位、 河床岩层性质和形状的限制, 全部作业均可在水面以上进行。管柱基础的承载力较大, 沉降较小, 施工工期较短, 造价较低, 技术经济效果均很显著。
图8-5 沉井基础
管柱基础出现于20世纪50年代, l955～1957年中国首次在武汉长江大桥工程中使用。此后, 在南京长江大桥、 南昌赣江公路铁路桥、 武汉钢铁公司的江心取水泵站等工程上都使用了管柱基础。20世纪60～70年代欧美一些国家在桥梁工程上使用了预应力混凝土管柱基础和钢管柱基础。
( 四) 沉井基础
沉井一般是在墩位所在的地面上或筑岛面上建造的井筒状结构物, 如图8-5所示。经过在井孔内取土, 借助自重的作用, 克服土对井壁的摩擦力而沉入土中。当第一节(底节)井筒快没入土中时, 再接筑第二节( 中间节) 井筒, 这样一直接筑、 下沉至设计位置( 最后接筑的一节沉井一般称为顶节), 然后再经封底、 井内填充、 修筑顶盖, 即成为沉井基础。
沉井是深埋和深水基础的常见形式, 既宜于水上施工, 也便于陆上工作。它既是施工过程中的中介临时结构, 又是完成的基础内直接传力的组成部分。它的刚性大, 稳定性好, 与桩基相比, 在荷载作用下变位甚微,具有较好的抗震性能,特别适用于对基础承载力要求较高, 对基础变位敏感的桥梁。如大跨度悬索桥、 拱桥、 连续梁桥等。
桥梁基础除了上述几种类型外, 还可根据不同地质和水文条件而采用一些组合型基础结构。
组合基础? ( 提一下)
基础根据其埋置深度分为浅基础和深基础。将埋置深度较浅(一般在5m以内), 可用比较简单的施工方法修筑的基础称为浅基础。由于浅层土质不良, 需将基础置于较深的良好土层上, 且施工较复杂的基础称为深基础。采用深基础时要求设备多、 工期长、 费用高, 施工也较困难, 但在浅基础不能满足设计要求时, 亦只得采用深基础。但这种”深”、 ”浅”的划分不是绝正确, 当地质条件较好且地下水位较低时, 明挖基础挖深也可达10 m以上; 反之, 当地质条件较差且有水不宜明挖时, 也有埋深不足5 m的沉井基础。
基础根据其结构特征分为平基和桩基。平基的基底一般为一平面(修筑在倾斜岩面上的基础底面可做成台阶状)。工程界常把平基按基底的埋置深度大致分为浅平基和深平基两类。浅平基一般是在露天开挖的基坑内修筑, 以此法施工的基础多为明挖基础; 深平基则一般采用特殊施工方法, 如沉井等。
基础又可根据其施工作业和场地布置分为陆上基础, 浅水基础和深水基础。
陆上基础平面位置及场地安排能够方便地自由择优进行, 但进入土体应有围护土壁的措施, 深到地下水面时则有水下施工的工艺和结构要求。
浅水基础是在水较浅的情况下, 采用人工填土筑岛、 围堰内抽水、 轻便栈桥或以上方法的结合, 以便在水上开辟工作场地的基础类型。
深水基础一般指水较深, 浅水基础施工的方法难以使用, 而必须使用施工船驳、 浮式机械、 自浮结构等组成工作平台, 提供施工场地及条件才能进行工作的基础类型。
另外基础还可根据其建筑材料分为石砌基础、 混凝土(包括片石混凝土)基础、 钢筋混凝土基础、 预应力混凝土基础和钢基础等类型。
一般, 在进行建筑物设计时, 有三种地基基础设计方案可供比选, 即天然地基上的浅基础、 天然地基上的深基础以及人工地基上的浅基础。原则上应先考虑天然地基上的浅平基是否可行, 因为其施工简单、 造价低。

任务8-2 基础上的荷载
在检算基础是否符合设计要求时, 必须先计算作用于基底上的合力, 此合力由作用于基底以上的各种荷载所组成。
荷载按其性质和发生几率划分为主力、 附加力和特殊力三类。主力是经常作用的; 附加力不是经常发生的, 或者其最大值发生几率较小; 特殊力是暂时的或者属于灾害性的, 发生的几率是极小的。
《铁路桥涵设计基本规范TB1002.1- 》对桥涵荷载分类和组合规定见表8-1。《高速铁路设计规范(试行) TB10621- 》在表8-1的基础上另在活载中增加了”气动力”。

表8.1 桥涵荷载
一、 主力
主力包括恒载和活载两部分。
( 一) 恒载
1.结构自重
如桥跨自重(包括梁部结构、 线路材料、 人行道等)、 墩台自重、 基础及基顶上覆土自重等。检算基底应力和偏心时, 一般按常水位(包括地表水或地下水)考虑, 计算基础台阶顶面至一般冲刷线的土重; 检算稳定性时, 应按设计洪水频率水位(即高水位)考虑, 计算基础台阶顶面至局部冲刷线的土重。
2.水浮力
在河中的墩台, 其基底下的持力层若为透水性土时, 则基础要承受向上的水浮力, 水浮力大小可由结构浸水部分体积求出。《铁路桥涵设计基本规范》规定: 位于碎石土、 砂土、 粉土等透水地基上的墩台, 当检算稳定性时, 应考虑设计洪水频率水位的水浮力; 计算基底应力或基底偏心时, 仅考虑常水位(包括地表水或地下水)的水浮力。检算墩台身截面或检算位于黏性土上的基础, 以及检算岩石(破碎、 裂隙严重者除外)上的基础且基础混凝土与岩石接触良好时, 均不考虑水浮力。位于粉质黏土和其它地基上的墩台, 不能肯定是否透水时, 应分别按透水与不透水两种情况检算基底而取其不利者。
3.土压力
桥台承受台后填土土压力、 锥体填土土压力及台后滑动土楔(也称破坏棱体)上活载所引起的土压力(简称活载土压力)。台后填土土压力、 锥体填土土压力, 可按库伦楔体极限平衡理论推导的主动土压力计算, 公式见《铁路桥涵设计基本规范》附录A。
活载土压力的计算是将活载压力强度(kPa)换算成与填土重度相同的当量均布土层, 也就是将均布活载换算成等效厚度为()的土体进行计算。
在计算滑动稳定时, 墩台前侧不受冲刷部分土的侧压力可按静止土压力计算, 公式见《铁路桥涵设计基本规范》附录B。
4.预加力
预加力是对预应力结构而言的。
5.混凝土收缩和徐变的影响
对于刚架、 拱等超静定结构, 预应力混凝土结构、 结合梁等, 应考虑混凝土收缩和徐变的影响, 而涵洞可不考虑。
( 二)活 载
列车活载虽然不像恒载那样时刻作用于桥梁结构, 但经过车辆是建造桥梁的目的, 故活载与恒载一样, 并列为主要荷载, 它包括以下几种:
1.列车竖向静活载
图8-6 中—活载图式( 距离以m计)
常速铁路列车竖向静活载采用中华人民共和国铁路标准活载, 即”中-活载”。标准活载的计算图式如图8-6所示。一般可能产生最不利情况的列车位置有如下几种, 在检算纵向(顺桥方向)时为: 二孔满载(水平力即制动力最大, 而竖向合力接近最大); 二孔重载(墩上的竖向合力最大, 而水平力可能亦为最大者); 一孔重载(水平力最大, 且支座反力亦最大); 一孔轻载(水平力最大, 而支座反力最小)。在检算横向(横桥方向)时为: 二孔满载(产生大水平力如风力或列车横向摇摆力和最大竖向合力); 二孔空车(产生大水平力和小竖向合力); 桥上无车(产生更大风水平力和更小竖向力)。总之, 列车位置的截取标准是: 水平力要最大; 检算基底压力时竖向合力要最大; 检算偏心、 倾覆稳定、 滑动稳定时, 竖向合力要最小。加载时可由计算图式中任意截取或采用特种活载, 均以产生最不利情况为准。空车的竖向活载按10 kN／m计算。
高速铁路列车竖向静活载采用ZK活载, 如图8-7 所示, ZK标准活载如图8-7( a) 所示, ZK特种活载如图8-7(b)所示。
(b) ZK特种活载
(a) ZK标准活载
图8-7 ZK活载
2.公路活载
桥梁为铁路、 公路两用时, 尚应考虑公路活载, 其值按交通部现行《公路工程技术标准》规定的全部活载的75％计算, 但对仅承受公路活载的构件, 应按公路全部活载计算。
3.列车竖向动力作用
列车竖向活载包括列车竖向动力作用时, 该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数(), 其动力系数的计算见《铁路桥涵设计基本规范》和《高速铁路设计规范》。
4.离心力
列车在曲线上行驶时, 要产生离心力。离心力为作用于轨顶以上2 m高处的横向水平力。
对集中活载
(8-1)
对分布活载
(8-2)
式中 —— 离心力(kN);
——”中一活载”图式中的集中荷载(kN);
——”中一活载”图式中的分布荷载(kN /m);
——设计速度(km/h);
——曲线半径(m);
——竖向活载折减系数, 计算见《铁路桥涵设计基本规范》和《高速铁路设计规范》。
5.横向摇摆力
横向摇摆力取100kN, 作为一个集中荷载取最不利位置, 以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。多线桥梁只计算任一线上的横向摇摆力。空车时应考虑横向摇摆力。
6.列车活载所产生的土压力
列车静活载在桥台背后破坏棱体上引起的侧向土压力, 应按列车静活载换算为当量均布土层厚度计算。
7.人行道荷载
铁路桥梁上的人行道以通行巡道和维修人员为主, 有时需放置钢轨、 轨枕和工具等。设计主梁时, 人行道的竖向静活载不与列车活载同时计算。
铺设无缝线路桥梁, 桥梁设计应考虑无缝线路长钢轨纵向力作用。长钢轨纵向力及其与制动力或牵引力等的组合, 按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》有关规定办理。
8.气动力
由驶过列车引起的气动压力和气动吸力, 气动力应分为水平气动力和垂直气动力。气动力的计算见《高速铁路设计规范》。
二、 附加荷载
附加荷载是指非经常性作用的荷载, 多为水平向, 有如下几种:
( 一)制动力或牵引力
制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10%计算。但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时, 制动力或牵引力应按列车竖向静活载的7%计算。
制动力或牵引力作用在轨顶以上2m处, 但计算桥墩台时移至支座中心处, 计算台顶活载的制动力或牵引力时移至轨底, 计算刚架结构时移至横杆中线处, 均不计移动作用点所产生的竖向力或力矩。采用特种活载时, 不计算制动力或牵引力。
简支梁传到墩台上的纵向水平力数值应按下列规定计算: 固定支座为全孔制动力或牵引力的100％, 滑动支座为全孔制动力或牵引力的50％, 滚动支座为全孔制动力或牵引力的25％。在一个桥墩上安设固定支座及活动支座时, 应按上述数值相加, 但对于不等跨梁, 则不应大于其中较大跨的固定支座的纵向水平力, 对于等跨梁, 不应大于其中一跨的固定支座的纵向水平力。
( 二)风 力
作用于桥梁上的风力等于风荷载强度乘以受风面积。风荷载强度及受风面积应按下列规定计算:
作用在桥梁上的风荷载强度按下式计算:
(8-3)
式中 ——风荷载强度(Pa);
——基本风压值(Pa), , 系按平坦空旷地面, 离地面20 m高, 频率1／100的10 min平均最大风速(m/s)计算确定; 一般情况下可按《铁路桥涵设计基本规范》附录D”全国基本风压分布图并经过实地调查核实后采用;
——风载体形系数, 桥墩见表8-2, 其它构件为1.3;
——风压高度变化系数, 见表8-3, 风压随离地面或常水位的高度而异, 除特别高墩个别计算外, 为简化计算, 全桥均取轨顶高度处的风压值;
——地形、 地理条件系数, 见表8-4。
表8-2 桥墩风载体形系数置

表8-3 风压高度变化系数
离地面或常水位高度(m)

≤20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.00
1.13
1.22
1.30
1.37
1.42
1.47
1.52
1.56

表8-4 地形、 地理条件系数
地形、 地理情况

一般平坦空旷地区

1.O

城市、 林区盆地和有障碍物挡风时

0.85～O.90

山岭、 峡谷、 垭口、 风口区、 湖面和水库

1.15～1.30

特殊风口区
按实际调查或观测资料计算

桥上有车时, 风荷载强度采用0.8, 并不大于1 250 Pa; 桥上无车时按计算。作用在桥梁上的风力等于单位风压形乘以受风面积,横向风力的受风面积应按结构理论轮廓面积乘以系数计算, 见表8-5。列车横向受风面积按3 m高的长方带计算, 其作用点在轨顶以上2 m高度处。标准设计的风压强度, 有车时, 并不大于1 250 Pa; 无车时。
表8-5 横向受风面积系数表
钢桁梁及钢塔架

0.4

钢拱两弦间的面积

0.5

桁拱下弦与系杆间的面积或上弦与桥面系间的面积
0.2
整片的桥跨结构

1.0

纵向风力与横向风力计算方法相同。对于列车、 桥面系和各类上承梁, 所受的纵向风力不予计算; 对于下承桁梁和塔架, 应按其所受横向风荷载强度的40％计算。
(三)流水压力
作用于桥墩上的流水压力可按下式计算:
(8-4)
式中 ——流水压力(kN);
——桥墩阻水面积(m2), 一般计算至一般冲刷线处;
——水的重度, 一般采用10 kN／m3;
——标准自由落体加速度(m／s2);
——计算时采用的流速(m/s): 检算稳定性时采用设计频率水位的流速,计算基底应力或基底偏心时采用常水位的流速;
——桥墩形状系数, 见表8-6。
流水压力的分布假定为倒三角形, 其合力的作用点位于水位线以下1／3水深处。

表8-6 桥墩形状系数表
截面形状
方形
长边平行于水流之矩形
圆形
尖端形
圆端形

1.47

1.33

0.73

0.67

0.60

(四)冰压力
流水压力、 冰压力不同时计算, 两者也不与制动力或牵引力同时计算。位于有冰的河流或水库中的桥墩台, 应根据当地冰的具体条件及墩台的结构形式, 考虑河流流冰产生的动压力、 风和水流作用于大面积冰层产生的静压力等冰荷载的作用。
( 五)温度变化的影响
这是由气温变化引起的, 对于刚架、 拱桥等超静定结构才需要考虑它。
( 六)冻胀力
严寒地区桥梁基础位于冻胀、 强冻胀土中时将受到切向冻胀力的作用, 其计算及检算见《铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5- 》附录G。
三、 特殊荷载
特殊荷载指某些出现几率极小的荷载, 如船只或排筏撞击力、 地震力以及仅在某一段时间才出现的荷载, 如施工荷载。
施工荷载是指结构物在就地建造或安装时, 尚应考虑作用在其上的荷载(包括自重、 人群、 架桥机、 风载、 吊机或其它机具的荷载以及拱桥建造过程中承受的单侧推力等)。在构件制造、 运送、 装吊时亦应考虑作用于构件上的临时荷载。计算施工荷载时, 可视具体情况分别采用各自有关的安全系数。
以上各种荷载并不同时全部作用在结构物上, 对结构物的强度、 刚度或稳定性的影响也不相同。在桥梁设计中, 应对每一项要求选取导致结构物出现最不利情况的荷载进行检算, 称之为最不利荷载组合。例如检算桥墩基底要求的承载力时, 应选取导致桥墩基底产生最大应力的各项荷载组合起来进行计算; 当检算基底稳定性时, 则应选取导致桥墩承受最大水平力而竖向力为最小的各项荷载组合。不同要求的最不利荷载组合一般不能直接判断出来, 须选取可能出现的不同荷载组合经过计算确定。在进行荷载组合时应注意如下原则:
( 1) 只考虑主力加附加力或主力加特殊荷载。不考虑主力加附加力加特殊荷载这种组合方式, 因为它们同时出现的几率是非常小的。
( 2) 主力与附加力组合时, 只考虑主力与一个方向(顺桥向或横桥向)的附加力相组合。
( 3) 对某一检算项目应选取相应的最不利荷载组合。最不利荷载组合可依该检算项目的检算公式作分析和选取。

任务8-3 基础的埋置深度

图8-8 基础埋置深度
一、 基础的埋置深度
基础的埋置深度是指基础底面至天然地面(无冲刷时)或局部冲刷线(有冲刷时)的距离, 如图8-8所示。确定基础的埋置深度是基础设计中的重要内容之一, 它既关系到结构建成后的牢固、 稳定及正常使用问题, 也关系到基础类型的选择、 施工方法和施工期限的确定。
二、 基础埋置深度的确定
确定基础的埋置深度主要从两方面考虑: 一是从保证持力层不受外界破坏因素的影响考虑, 基础埋深最小不得小于按各种破坏因素而定的最小埋深(最小埋深见后述)。二是从满足各项力学检算的要求考虑, 在最小埋深以下的各土层中找一个埋得比较浅、 压缩性较低、 强度较高的土层(即允许承载力较大的土层)作为持力层。在地基比较复杂的情况下, 可作为持力层的不止一个, 需经技术、 经济、 施工等方面的综合比较, 选出一个最佳方案。
( 一)考虑持力层稳定的基础埋深
地表土层受气候、 湿度变化的影响及雨水的冲蚀, 会产生风化作用, 另外, 动植物多在地表层内活动生长, 也会破坏地表土层的结构。因此, 地表土层的性质不稳定时, 不宜作为持力层。为了保证持力层的稳定, 《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定, 在无冲刷处或设有铺砌防冲时, 基础底面埋置深度应在地面以下不小于2m, 特殊困难情况下不小于1m。
( 二) 考虑水流对河床的冲刷作用时的基础埋深
在有水流的河床上修建墩台, 必须考虑洪水对河床的冲刷作用。
一般冲刷。建桥以后, 桥下的过水断面积一般会比建桥前减小, 为排泄同样大小的流量, 桥下水流速度势必增大, 致使桥下产生冲刷, 这种由于建桥而引起的在桥下河床全宽范围内的普遍冲刷, 称为一般冲刷;
局部冲刷。由于桥墩阻水而引起的水流冲刷和涡流作用, 在桥墩周围形成的河床局部变形, 称为局部冲刷。
为防止墩台基底下的土层被水流冲刷淘空致使墩台倒塌, 《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定, 有冲刷处的墩台基底, 应在最大冲刷(一般冲刷和局部冲刷之和)线以下不小于下列安全值: 对于一般桥梁 安全值为2 m加冲刷总深度的10％; 对于技术复杂、 修复困难或重要的特大桥(或大桥), 安全值为3 m加冲刷总深度的10％, 如表8-7所示。
建于抗冲刷性能强的岩石上的基础, 可不考虑上列规定, 对于抗冲刷性能较差的岩石, 应根据冲刷的具体情况确定基底埋置深度。

表8-7 基底埋置安全值
冲刷总深度(m)
0
5
10
15
20
安全值(m)

一般桥梁

2．0

2．5

3．0

3．5

4．0

特大桥(或大桥)属于技术复杂、 修复困难或重要者
设计频率流量

3．0

3．5

4．0

4．5

5．0

检算频率流量
1．5
1．8
2．0
2．3
2．5
注: 冲刷总深度为自河床面算起的一般冲刷深度与局部冲刷深度之和。
( 三) 考虑寒冷地区地基土季节性冻胀时的基础埋深
1.季节性冻土基础埋深要求
季节性冻土是指冬季冻结春季融化的土层。在寒冷地区, 应考虑由于季节性的冻结和融化对地基引起的冻胀影响。产生冻胀的原因是由于冬季气温下降, 当地面下一定深度内土的温度达到冷冻温度时, 土空隙中的水分开始冻结, 体积增大, 使土体产生一定的膨胀; 对于冻胀性土, 如气温在较长时间内保持在冻胀温度以下, 水分能从未冻胀区迁移, 引起地基的冻胀和隆起。土在冻结时隆起, 冻胀力甚大, 而解冻时沉陷, 土的结构性质发生变化, 致使建于其上的结构物遭到破坏。季节性冻土的冻胀等级的划分见《铁路桥涵地基和基础设计规范》附录A。
自地表而至冻结层底的厚度称冻结深度, 冻结线即当地最大冻结深度线。土的标准冻结深度系指地表无积雪和草皮覆盖时实测最大冻深的平均值。中国北方各地的冻结深度大致如下: 满洲里2.6m、 齐齐哈尔2.4m、 佳木斯或哈尔滨2.2m、 牡丹江2.0m、 长春1.7m、 沈阳1.2m、 锦州1.1m、 太原1.0m、 北京O.8～1.0m、 大连O.7m、 天津0.5～O.7m、 济南0.5m。
为避免冻害影响, 《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定: 对于冻胀、 强冻胀土基底埋置深度应在冻结线以下不小于0.25m; 对于弱冻胀土, 基底埋置深度应不小于冻结深度的80％。修建在冻胀性土壤区的涵洞, 其出入口和自两端洞口向内各2 m范围内的基底埋置最小深度与上述规定相同。涵洞中间部分的基底埋深可根据地区经验确定。严寒地区, 当涵洞中间部分的埋深与洞口埋深相差较大时, 其连接处应设置过渡段。冻结较深的地区, 也可将基底至冻结线下0.25m处的地基土换填为粗颗粒土(包括碎石土、 砾砂、 粗砂、 中砂, 但其中粉、 黏粒含量应小于或等于15％, 或粒径小于0.1mm的颗粒应小于或等于25％)。
2.多年冻土基础埋深要求
多年冻土是指冻结状态持续两年或两年以上的土层。多年冻土的分类见《铁路桥涵地基和基础设计规范》附录A。
多年冻土地区桥涵基底的埋置深度应符合下列规定:
按保持冻结原则进行设计时, 基础和桩基承台座板底面位于稳定人为上限以下的最小埋置深度应符合表8-8中的要求。桩身位于稳定人为上限以下的最小深度(不论土质)不应小于4 m。
按容许融化原则进行设计时, 基础埋深应满足地基沉降方面的要求。当季节活动层为冻胀性土时, 尚应避免冻胀的危害。
表8-8 基础和桩基承台座板底面位于稳定人为上限以下的最小埋置深度(m)
基础类型

地基土质

位于稳定人为上限以下的最小埋置深度

桥梁明挖基础

多冰、 富冰或饱冰冻土

1.0

涵洞出入口明挖基础

多冰、 富冰或饱冰冻土

0.25

承台座板底面

多冰、 富冰或饱冰冻土

不应小于0.25

满足上述规定所确定的基础埋深称为最小埋深。合适的持力层应在最小埋深以下的各土层中寻找。
在覆盖土层较薄的岩石地基中, 可不受最小埋深的限制, 将基础修建在清除风化层后的新鲜岩面上。如遇岩石风化层很厚, 难以全部清除时, 则其埋置深度应视岩石的风化程度及其相应的地基容许承载力来确定。对于风化严重和抗冲刷性能较差的岩石, 应按具体情况适当加大埋置深度。当基岩表面倾斜时, 应避免将基础的一部分置于岩层上而另一部分置于土层上, 以防基础由于不均匀沉降而倾斜或破裂。如基岩面倾斜较大时, 基底可做成台阶形。
墩台明挖基础顶面不宜高出最低水位, 如地面高于最低水位且不受冲刷时, 则不宜高出地面。

任务8-4 基础的设计
一、 桥梁墩台基础的设计原则
桥梁基础的设计应保证基础具有足够的强度、 稳定性和耐久性。具体应满足以下要求:
(1)基础本身的强度不得超限。
(2)地基土的强度不得超限(指持力层的强度, 如基底下不远处有软弱下卧层时, 尚应检算此软弱下卧层的强度)。
(3)基础倾斜不得过大, 即应检算基底合力的偏心距。
(4)基础不得倾倒及滑走, 即应检算其倾覆和滑动稳定性。
(5)基础要耐久可靠, 这主要靠建筑材料和埋置深度来保证。
(6)必要时检算基础的沉降或沉降差, 因为过大的沉降或沉降差会影响结构物的正常使用, 甚至破坏上部结构, 要特别注意那些对沉降差很敏感的超静定结构, 如连续梁、 拱桥等。当墩身很高时, 需要检算墩、 台顶的水平位移。
(7)当墩、 台修筑在较陡的土坡上或桥台筑于软土上且台后填土较高时, 还应检算墩台连同土坡或路基沿滑动弧面的滑动稳定性。
二、 桥梁墩台基础设计的原始依据
( 一) 桥址水文
1.根据有代表性年份自年初至年底的水位高程曲线, 设计水中墩台及基础时, 可经过计算确定: 应采用的最高设计水位; 通航水位, 即本河段通行最大船舶时的容许最高水位; 可能遭遇的最低水位; 施工期间内可能遇到的最高水位和最低水位及它们可能延续的时间。
2.根据桥轴线附近的历年河床冲淤变化图、 河床地质断面图、 河段平面等深线图、 邻近桥址水文站历年的水文观测记录, 经过计算或辅以水工试验, 得出各墩位的各种冲刷深度。
3.由估算或水工模拟试验, 得出施工各阶段桥位相应的冲刷深度和可能产生的河底地形变化。
4.结合气象资料, 决定设计冰厚、 流冰水位及时间。
( 二) 桥址地质
1.利用河床地质平面图研究桥址附近的地质构造。
2.利用墩台纵横地质剖面图及岩芯柱状图资料, 了解墩位台址处岩面高差、 岩面平整程度、 各层岩土物理性能、 地下水升降情况及永久冻结层标高等。
( 三) 技术要求
1.衔接线路的平面图及纵断面图。
2.拟建的上部结构概况。
3.各种荷载的大小、 方位与着力点。
三、 桥梁墩台基础设计的一般步骤
1.根据航行水位加净空或最高水位加泄洪要求决定最低的梁底标高。
2.根据上部结构及引桥、 引道布置决定适合的轨底标高或路面标高。
3.根据上部结构支座布置及最高水位高程决定墩台顶标高(一般不允许受浪、 潮侵袭, 墩台顶帽以上应留出至少0.5～1.0m的干燥地带)。
4.根据最低水位决定重型墩台的基础顶面标高, 或墩身与底板等的分界线, 墩身扩大部分一般不露出水面, 应低于最低水位0.5m。如采用高桩承台等轻型结构, 低水位将决定防护设施范围, 保证万一发生流冰、 船只撞墩时的墩身安全。
5.根据冲刷线或地面高程决定基础底面标高。基础顶面不宜高出最低水位, 如地面高于最低水位, 且不受冲刷时, 则不宜高出地面。基础底面应在最大冲刷线以下一定深度及冻结线以下一定深度。
6.根据地质条件和地基承载力决定深平基础的底面高程或桩类基础的贯入深度。
7.陆上基础不受水文影响, 但有桥下通行净空要求时, 应满足通行要求。
8.根据荷载及施工条件, 决定基础结构形式、 尺寸以及采用的施工方法。可是条件与结构问题是互为因果的, 将经过方案比选、 重复研讨来择优选用。
9.在基础形式、 轮廓尺寸选定后, 进行内力分析计算并绘制详图。
基础工程的造价在全桥造价中占有相当大的比重, 故对于基础的设计施工要予以特别的重视。一般情况下, 满足要求的基础方案不只一个, 因此需要从技术、 经济和施工方法等方面综合比较, 择优选用。在选择基础结构形式时, 应遵循的原则是先从浅基础考虑, 因埋置浅, 可明挖基坑, 施工既简便又快捷, 质量也容易保证。但如果有水且很深时, 水抽不干则无法施工, 此时才考虑桩基础或沉井基础等深基础。

桥涵基础类型及适应条件
基 础 类 型
适 应 条 件
明挖基础
1.天然地基稳定, 且有支承外部荷载的足够强度;
2.基础埋置不深, 且开挖后不影响其它建筑物的安全;
3.桥涵处平时无水或虽有地表、 地下水, 但水量不大, 施工中能改沟( 河) 及防护抽水
桩基础
打入桩
适应于中密、 稍松的砂类土和可塑黏性土地层
振动下沉桩
适应于砂类土、 黏性土和碎石类土地层
桩尖爆扩桩
适应于可塑黏性土, 中密、 密实的砂类土, 砂夹卵石土地层
钻孔灌注桩
适应于各类土层及岩层, 但用于软土、 淤泥和可能发生流砂的地层时, 钻孔易于坍塌, 在确定使用前应先作施工工艺试验
挖孔灌注桩
适